Linear and Non-Linear Spin-to-Charge Conversion in a Quantum Point Contact

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	15 July 2024
Referee:	Prof. Dr. Mariusz Ciorga
Date of exam:	28 June 2004
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics
Keywords:	Spintronics, Spin Detection, Spin-to-Charge-Conversion
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	58641

Abstract (English)

The generation and detection of a non-zero spin accumulation in non-magnetic materials by electrical means represents a fundamental aspect of spintronics. A typical electrical detection of injected spins involves Silsbee-Johnson spin-charge coupling, whereby the spin accumulation at the ferromagnet-nonmagnet interface is converted into an electromotive force that is linear in the spin ...

Abstract (English)

The generation and detection of a non-zero spin accumulation in non-magnetic materials by electrical means represents a fundamental aspect of spintronics. A typical electrical detection of injected spins involves Silsbee-Johnson spin-charge coupling, whereby the spin accumulation at the ferromagnet-nonmagnet interface is converted into an electromotive force that is linear in the spin accumulation, measured across the junction. In nanoscale devices, an alternative solution was proposed. It was demonstrated that energy-dependent transmission in quantum point contacts (QPCs), narrow constrictions in a two-dimensional electron gas (2DEG), results in a voltage drop across the QPC, which can be measured during experiment.
In this work, we present the results of our experiments on employing a QPC as a (non-) linear detector of a spin accumulation generated electrically in a 2DEG.
The measurements for nonlinear detection showed the expected scaling of the second harmonic component of the measured voltage with the spin accumulation, proportional to the square of injection current. Nevertheless, demonstrating that the observed signal is derived from a spin accumulation remains challenging. To properly interpret the results, it is necessary to consider the contribution of thermopower or other non-spin-related effects. The linear detection measurements demonstrated the expected linear relation between the measured voltage drop and both the injection current and an applied in-plane magnetic field. Calculations of the spin accumulation value revealed values larger than expected, indicating the need for a more sophisticated theoretical approach for utilizing a QPC as a spin detector.

Translation of the abstract (German)

Die Erzeugung und der Nachweis einer endlichen Spin-Akkumulation in nichtmagnetischen Materialien auf elektrischem Wege ist ein grundlegender Aspekt der Spintronik. Eine typische elektrische Detektion injizierter Spins beinhaltet die Silsbee-Johnson-Spin-Ladungs-Kopplung, bei der die Spin-Akkumulation an der Grenzfläche zwischen Ferromagnet und Nichtmagnet in eine elektromotorische Kraft ...

Translation of the abstract (German)

Die Erzeugung und der Nachweis einer endlichen Spin-Akkumulation in nichtmagnetischen Materialien auf elektrischem Wege ist ein grundlegender Aspekt der Spintronik. Eine typische elektrische Detektion injizierter Spins beinhaltet die Silsbee-Johnson-Spin-Ladungs-Kopplung, bei der die Spin-Akkumulation an der Grenzfläche zwischen Ferromagnet und Nichtmagnet in eine elektromotorische Kraft umgewandelt wird, die linear zur Spin-Akkumulation ist. Für Bauelemente im Nanometerbereich wurde eine alternative Methode vorgeschlagen. Es wurde gezeigt, dass die energieabhängige Transmission in Quantenpunktkontakten (QPCs), engen Konstriktionen in einem zweidimensionalen Elektronengas (2DEG), zu einem Spannungsabfall über dem QPC führt, der im Experiment gemessen werden kann.
In dieser Arbeit stellen wir die Ergebnisse unserer Experimente zum Einsatz eines QPC als (nicht-) linearer Detektor für eine elektrisch erzeugte Spinakkumulation in einem 2DEG vor. Die Messungen zur nichtlinearen Detektion zeigten die erwartete Skalierung der zweiten harmonischen Komponente der gemessenen Spannung mit der Spinakkumulation, proportional zum Quadrat des Injektionsstroms. Dennoch bleibt der Nachweis, dass das beobachtete Signal von einer Spin-Akkumulation herrührt, eine Herausforderung. Um die Ergebnisse richtig zu interpretieren, muss der Beitrag der Thermokraft oder anderer nicht spinbezogener Effekte berücksichtigt werden. Die linearen Detektionsmessungen zeigten die erwartete lineare Beziehung zwischen dem gemessenen Spannungsabfall und dem Injektionsstrom sowie einem in der Ebene angelegten Magnetfeld. Berechnungen des Spinakkumulationswerts ergaben größere Werte als erwartet, was auf die Notwendigkeit eines komplexeren theoretischen Ansatzes für den Einsatz eines QPC als Spin-Detektor hinweist.

Details

Preview

Export bibliographical data

Abstract (English)

Abstract (English)

Translation of the abstract (German)

Translation of the abstract (German)

Download Statistics

Downloads

More literature (via CORE)

University Library